粤教版（2019）物理必修第二册 4.4 势能 课件(52张ppt）

第四章　机械能及其守恒定律
第四节　势能
学习目标
学法指导
1.知道重力做功与路径无关的特点
2．掌握重力势能的概念，理解重力势能的相对性
3．了解弹性势能的概念
1.复习初中学过的重力势能的相关内容，掌握重力势能的概念及重力势能大小的决定因素(定性结论)
2．通过实例分析，认识重力做功的特点及重力势能的相对性，掌握重力做功与重力势能变化的关系
3．通过归纳和比较，了解和认识各种势能的共同特征——与相互作用的物体的相对位置有关，为以后学习其他势能打好基础
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．特点：只跟物体运动的___________和__________有关，而跟物体运动的______无关．
2．表达式：WG＝________＝__________，其中h1、h2分别表示物体起点和终点的高度．
重力做的功
初、末位置
物体质量
路径
mgΔh
mg(h1－h2)
将一个物体由A移至B，重力做功 (　　)
A．与运动过程中是否存在阻力有关
B．与物体沿直线或曲线运动有关
C．与物体是做加速、减速或匀速运动有关
D．与物体初、末位置高度差有关
【答案】D
【解析】将物体由A移至B，重力做功只与物体初、末位置高度差有关，A、B、C错误，D正确．
1．定义：物体所受的________与物体所在________的乘积叫作物体的重力势能．
2．表达式：Ep＝________.
3．单位：______，与功的单位相同．重力势能是______(选填“标量”或“矢量”)．
重力势能的相对性
重力
高度
mgh
焦耳
标量
4．重力做功与重力势能变化的关系
(1)表达式：WG＝Ep1－Ep2＝－ΔEp.
(2)两种情况：
①当物体从高处运动到低处时，重力做________，重力势能________，即WG＞0，Ep1＞Ep2.
②当物体由低处运动到高处时，重力做负功，________________，即WG＜0，Ep1＜Ep2.重力做负功也叫作______________．
正功
减小
重力势能增大
克服重力做功
5．重力势能的相对性
(1)参考平面：物体的重力势能总是相对于某一________来说的，在参考平面上，物体的重力势能取作________．
(2)相对性：选择不同的参考平面，物体重力势能的数值________(选填“相同”或“不同”)．
(3)正负的含义：参考平面上方物体的重力势能是________，参考平面下方物体的重力势能是________．
(4)两定点的重力势能差不随参考平面的改变而发生变化．
水平面
0
不同
正值
负值
如图所示，A点和B点到参考平面的高度都是h.则将质量为m的质点放在A处和放在B处的重力势能各是多少？
【答案】A处：EpA＝mgh　B处：EpB＝－mgh
1．定义：发生弹性形变的物体的各部分之间，由于有________的相互作用而具有的势能．
2．决定因素：弹性势能的大小决定于弹簧被________或________的长度，还和弹簧的__________有关．
弹性势能
弹力
拉伸
压缩
劲度系数
判断正误．
(1)发生弹性形变的物体不一定具有弹性势能． (　　)
(2)弹簧弹力做正功时，弹性势能增加． (　　)
【答案】(1)×　(2)×
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如图所示，将质量为m的物块从A移到B，可以有以下不同路径，分别求出沿不同路径移动物体时重力做的功．
(1)沿着AOB路径①移动．
(2)沿着直线AB路径②移动．
(3)沿着任意曲线ACB路径③移动．
重力做功的特点
【答案】(1)AO段重力做的功W1＝mgh，OB段重力的功W2＝0，故整个过程重力做的功W＝mgh.
(2)设AB长为l，则重力的功W＝mglcos(90?－α)＝mglsin α＝mgh.
(3)把整个路径分成很多段，每一段均可看作倾斜的直线．设每段小斜线的高度差分别为Δh1、Δh2、Δh3…物体通过每一小段重力做的功分别为mgΔh1、mgΔh2、mgΔh3…整个过程中重力做的功W＝mgΔh1＋mgΔh2＋mgΔh3＋…＝mgh.
精练1　在高处的某一点将三个质量相同的小球以相同的速率v0分别上抛、平抛、斜抛，那么以下说法正确的是 (　　)
A．从抛出到落地过程中，重力对它们所做的功都相等
B．因物体的轨迹不同，重力做功不相等
C．从抛出到落地过程中，重力对它们做功的平均功率都相等
D．如果考虑空气阻力，则从抛出到落地过程中，重力做功不相等

【答案】A
【解析】由于重力做功与路径无关，只与初、末位置高度差有关，三个小球初、末位置的高度差相同，所以重力做功都相等，A正确，B、D错误；三个小球在空中运动时间不一样，所以平均功率不相等，C错误．
变式1　如图所示，足球从草皮上的①位置被踢出后落到草皮上③位置，空中到达的最高点为②位置，则 (　　)
A．②位置足球动能等于0
B．①位置到③位置的过程只有重力做功
C．①位置到②位置的过程无阻力
D．②位置到③位置的过程重力做正功

【答案】D
【解析】由题图可知，小球由②位置到③位置过程中具有水平位移，则说明小球在②位置存在速度，A错误；①位置到②位置的水平位移大于②位置到③位置的水平位移，则说明小球受到的阻力做功，B错误；由题图可见上升和下降轨迹不对称，故一定存在阻力，C错误；②位置到③位置的过程足球动能的变大，重力做正功，D正确．

(1)重力做功与路径无关，只与初末位置的高度差有关．
(2)重力做功与有无其他力的存在也无关．
如图所示，运动员在进行蹦床比赛．假设运动员质量为m.床面到地面的高度为h.运动员蹦起后离床面的高度为H.思考以下问题：
重力势能的相对性
(1)以地面为参考平面．运动员跳起后在最高点的重力势能是多少？
(2)以床面为参考平面，运动员跳起后在最高点的重力势能是多少？
(3)以运动员跳起后重心的最高点为参考平面，运动员跳起后又落到蹦床上时，重力势能是正值还是负值？
【答案】(1)mg(H＋h)．
(2)mgH.
(3)运动员落到蹦床上，重心在参考平面以下，重力势能为负值．
精练2　如图所示，桌面距地面0.8 m，一物体质量为2 kg，放在距桌面0.4 m高的支架上(图上未画出)．(g取10 m/s2)
(1)以地面为参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到桌面的过程中，重力势能变化了多少？
(2)以桌面为参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到桌面的过程中，重力势能变化了多少？
【答案】(1)24 J　减少了8 J　(2)8 J　减少了8 J
【解析】(1)以地面为参考平面，物体的高度
h1＝(0.4＋0.8) m＝1.2 m，因而物体具有的重力势能
Ep1＝mgh1＝2×10×1.2 J＝24 J.
物体落至桌面时，重力势能Ep2＝mgh2＝2×10×0.8 J＝16 J.
物体重力势能的变化量
ΔEp＝Ep2－Ep1＝16 J－24 J＝－8 J，即重力势能减少了8 J.
(2)以桌面为参考平面，物体距参考平面的高度h1′＝0.4 m，因而物体具有的重力势能Ep1′＝mgh1′＝2×10×0.4 J＝8 J.
物体落至桌面时，重力势能Ep2′＝0，
物体重力势能的变化量ΔEp′＝Ep2′－Ep1′＝－8 J，即重力势能减少了8 J.
变式2　(多选)下列关于重力势能的说法正确的是 (　　)
A．物体的重力势能是属于物体和地球所共有的，离开地球，单独一个物体谈不上存在重力势能
B．重力对物体做正功，物体的重力势能就会增加
C．质量为m的物体距离地面高度为h，其具有的重力势能一定为mgh
D．物体重力势能的改变量只与物体始末位置的高度差有关

【答案】AD
【解析】重力势能是物体和地球共有的，而不是物体单独具有的，离开地球物体将不再具有重力势能，故A正确；重力对物体做正功，物体的重力势能就会减小，故B错误；重力势能的大小取决于零势能面的选择，若选择物体位置处为零势能面，则重力势能为零，故C错误；物体重力势能的改变只与物体始、末位置的高度差有关，故D正确．

(1)物体的重力势能的大小是相对的，其数值与参考平面的选取有关．
(2)重力势能的变化是绝对的，与参考平面的选取无关，其变化量仅由重力对物体做功的多少来决定．
如图所示，取两根劲度系数不同的弹簧和一个轻质小球．
探究影响物体弹性势能大小的因素

(1)分别用大小不同的力把小球压在同一根弹簧上，使同一根弹簧产生不同的形变，迅速放开手，使小球反弹，比较小球所能到达的最大高度．
(2)将同一个小球依次放在劲度系数不同的弹簧上，使不同的弹簧产生相同大小的形变，迅速放手，使小球反弹，比较小球所能到达的最大高度．
精练3　宋代诗人苏轼的名句“会挽雕弓如满月，西北望，射天狼”中蕴含了一些物理知识．关于拉弓过程，下列说法正确的是 (　　 )
A．弓的弹性形变越大，弹性势能就越大
B．弓的弹性形变越大，弹性势能就越小
C．人对弓的作用力越大，弓的弹性形变越小
D．人对弓的作用力越大，弹性势能就越小

【答案】A
【解析】弹性势能的大小与弹簧的形变量有关，则弓的弹性形变越大，弹性势能就越大，故A正确，B错误；根据胡克定律，人对弓的作用力越大，弓的弹性形变越大，弹性势能就越大，故C、D错误．
变式3　(2020年鹤壁名校月考)关于弹簧的弹性势能，下列说法中正确的是 (　　)
A．当弹簧变长时，它的弹性势能一定增大
B．当弹簧变短时，它的弹性势能一定变小
C．在拉伸长度相同时，k越大的弹簧，它的弹性势能越大
D．弹性势能是弹簧和使它发生形变的物体所共有的

【答案】C
【解析】当弹簧变长时，它的弹性势能不一定增大，若弹簧原本处于压缩状态时，弹簧的弹性势能减小，故A错误；若原本处于压缩状态，弹簧变短时，弹簧的弹性势能增大，故B错误；在拉伸长度相同时，k越大的弹簧弹力越大，克服做功越多，它的弹性势能越大，故C正确；弹性势能是弹簧具有的，与使它发生形变的物体无关，故D错误．
核心素养微专题
科学思维——绳、链条等物体的重力势能问题
1．重力势能的计算式是Ep＝mgh，式中h是物体重心相对参考平面的高度．
2．求解绳、链类物体的重力势能时，重心位置的确定是关键．粗细均匀、质量分布均匀的长直绳子或链条，其重心在全长的一半处．
3．两种情况下重力势能的求解：
(1)当绳子、链条呈直线状(水平、竖直或倾斜)放置时，Ep＝mgh中的h表示重心相对参考平面的高度．
(2)当绳子、链条不以直线状(如折线状)放置时，应当分段(使其每段都是直线状)表示重力势能再求和．
【答案】见解析
课堂小练 | 素养达成
1．如图所示，某物块分别沿三条不同的轨道由离地面高h的A点滑到同一水平面上，轨道1、2是光滑的，轨道3是粗糙的，则 (　　)
A．沿轨道1滑下重力做的功多
B．沿轨道2滑下重力做的功多
C．沿轨道3滑下重力做的功多
D．沿三条轨道滑下重力做的功一样多


【答案】D
【解析】重力做功与路径无关，取决于初、末位置高度差h，故D正确．
2．质量为m的小球，从离桌面H高处由静止下落，桌面离地面的高度为h，如图所示．若以桌面为参考平面，则小球落地时的重力势能及整个过程中重力势能的变化分别是 (　　)
A．mgh，减少mg(H－h)
B．mgh，增加mg(H＋h)
C．－mgh，增加mg(H－h)
D．－mgh，减少mg(H＋h)

【答案】D
【解析】重力势能的大小与参考平面的选取有关，小球落地时，在参考平面以下，其重力势能为负值，即Ep＝－mgh.小球下落过程中，重力做的功为mg(H＋h)，所以重力势能减少mg(H＋h)．故D正确．
3．如图所示，一轻弹簧一端固定于O点，另一端系一重物，将重物从与悬点O在同一水平面且使弹簧保持原长的A点静止释放，让它自由摆下，不计空气阻力，在重物由A点摆向最低点B的过程中 (　　)
A．重力做正功，弹力不做功
B．重力做正功，弹力做正功，弹性势能增加
C．若用与弹簧原长相等的细绳代替弹簧后，重力做正功，弹力做负功
D．若用与弹簧原长相等的细绳代替弹簧后，重力做正功，弹力不做功

【答案】D
【解析】用细绳拴住重物向下摆动时重力做正功，弹力不做功，D正确；用弹簧拴住重物下摆时，弹簧要伸长，重物轨迹不是圆弧，弹力做负功，弹性势能增加，重力做正功，所以A、B、C错误．
4．摩天轮是一种大型转轮状的机械游乐设施，挂在轮边缘的是供搭乘的座舱．乘客坐在摩天轮座舱里，摩天轮慢慢地往上转，可以从高处俯瞰四周景色．我国目前最高的摩天轮——南昌之星的高度达到160 m．假设一个50 kg的乘客从地面乘坐该摩天轮到达最高点，g取10 m/s2，问：
(1)乘客重力做功为多少？
(2)乘客的重力势能变化了多少？
(3)由(1)、(2)可知，重力做功与重力势能的变化有什么关系？
【答案】(1)－80 000 J　(2)增加80 000 J　(3)大小相等
【解析】(1)乘客随摩天轮向上的位移大小为160 m，则重力做的功W＝－mgh＝－50×10×160 J＝－80 000 J.
(2)乘客随摩天轮向上运动，重力势能增大；乘客的重力势能增加量
ΔEp＝mgh＝50×10×160 J＝80 000 J.
(3)由以上的计算可知，重力做功与重力势能的变化大小是相等的，重力做负功，重力势能增大．